傳統(tǒng)船舶除銹方法采用手工除銹、拋丸除銹、水射流磨料除銹等。手工除銹依靠人工敲擊剝銹,效率很低,且除銹質(zhì)量差;拋丸除銹依靠離心泵拋出的鋼丸,快速地沖擊實(shí)現(xiàn)銹層的剝離,除銹效率較高,但是污染嚴(yán)重、鋼丸處理麻煩;水射流磨料除銹是在高壓水射流中摻有石英砂,磨料剝削能力強(qiáng),實(shí)驗(yàn)效果好,然而船塢很大,磨料的輸送需要腳手架,輸送起來不容易,且船塢環(huán)境潮濕,保證磨料干燥較困難。
隨著超高壓水射流技術(shù)的發(fā)展,上個(gè)世紀(jì)末,超高壓水射流達(dá)到250 MPa,可以實(shí)現(xiàn)無磨料的純水除銹。為了防止水射流除銹返銹,2001年,引入了真空技術(shù),將幾個(gè)除銹噴嘴安裝在一個(gè)真空腔內(nèi),實(shí)現(xiàn)真空水及廢料回收,起到了良好的防止返銹的效果[2]。然而,是采用開放的純水射流除銹還是密閉真空純水射流除銹,超高壓泵組系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是產(chǎn)生船舶除銹超高壓水射流的前提。
1 設(shè)計(jì)依據(jù)
1.1 主要功能
船舶除銹成套系統(tǒng)主要由超高壓水射流泵組系統(tǒng)、真空抽吸排渣系統(tǒng)、自動(dòng)爬壁除銹機(jī)器人以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。超高壓水射流大功率泵組是產(chǎn)生超高壓水的發(fā)生設(shè)備,采用三柱塞或五柱塞往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)形式,是大功率泵機(jī)組系統(tǒng),是船舶壁除銹成套系統(tǒng)的重要組成部分,主要功能是產(chǎn)生超高壓水射流,通過噴槍或清洗器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于船體表面,實(shí)現(xiàn)船體表面的除銹[3]。船舶除銹成套系統(tǒng)工作原理見圖1。
1.2 主要參數(shù)
船舶除銹超高壓泵組參數(shù)選擇的首要任務(wù)是確定系統(tǒng)壓力參數(shù)。超高壓水射流壓力高,主機(jī)及配件必須適應(yīng)超高壓水射流要求,這使選擇材料及設(shè)計(jì)成本上漲,而且還帶來了運(yùn)行可靠性問題。國外設(shè)計(jì)雖然將壓力定得很高,可達(dá)300 MPa,但實(shí)際運(yùn)行多在250 MPa左右,這一壓力可以達(dá)到除銹等級(jí)要求。根據(jù)國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn),超高壓泵組無論射流壓力達(dá)到多高,射流流量都不應(yīng)該小于25 L/min。然而,為防止返銹,船舶除銹要求即除即干,流量不應(yīng)超過40 L/min。為保證系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的除銹效果,流量定為27 L/min。對(duì)于超高壓大功率泵,泵速是運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵。泵速過高,因往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封發(fā)熱容易使柱塞咬死;泵速過低,泵尺寸將過大,重量增加。根據(jù)一些資料給出確定泵速的理論依據(jù)是柱塞的平均速度Um≤ 0.15 m/s,當(dāng)機(jī)組功率為110～ 200 kW時(shí),泵速為400～600 r/min左右,這是國外超高壓泵技術(shù)水平的一個(gè)判據(jù)。
1.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)
超高壓泵輸出壓力:250 MPa;輸出流量:27 L/min;配帶電機(jī)功率:132 kW;工作介質(zhì):清水;真空泵工作壓力:- 60 kPa;抽氣量:30 m3/min;真空罐容積:1 500 L;機(jī)器人除銹寬度:300 mm;除銹速度:50 m2/h;除銹質(zhì)量:Sa2.5級(jí)。
2 系統(tǒng)組成
泵組系統(tǒng)構(gòu)成框圖見圖2。
超高壓水射流泵組系統(tǒng)包括超高壓泵站,泵前水處理裝置和電氣控制系統(tǒng)。
2.1 超高壓泵站
超高壓泵站系統(tǒng)主要由超高壓柱塞泵、電動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、氣控調(diào)壓閥、安全閥、壓力繼電器等組成。泵站整體設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊、壓力平穩(wěn)、運(yùn)行安全可靠;具有雙層機(jī)械安全保護(hù)(安全閥、調(diào)壓閥)和電氣控制保護(hù);超高壓泵應(yīng)采用強(qiáng)制冷卻和強(qiáng)制潤滑,并設(shè)有滑油溫度繼電器和滑油壓力繼電器,對(duì)泵站實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控,確保超高壓柱塞泵運(yùn)行的安全可靠。泵站馬力要求強(qiáng)勁,功率剩余20%。系統(tǒng)采用氣控調(diào)壓閥,可利用較小的氣壓實(shí)現(xiàn)超高壓調(diào)節(jié)。超高壓泵站液壓原理見圖3。
2.2 泵前水處理裝置
泵前水處理的主要目的是為超高壓柱塞泵提供有壓吸入的顆粒不大于10× 10- 3mm的工作介質(zhì),由于往復(fù)泵的吸入能力比較差,特別是對(duì)超高壓大功率泵必須以相應(yīng)流量的增壓來提供強(qiáng)制吸入以保證流體的連續(xù)泵送,避免出現(xiàn)流量波動(dòng)。為了避免超高壓泵及管路中閥件的磨損和堵塞,要求輸送到超高壓泵的工作顆粒不大于10× 10- 3mm。
2.3 電氣控制系統(tǒng)
電氣控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)超高壓泵站系統(tǒng)和泵前水處理裝置中電氣設(shè)備的控制,對(duì)系統(tǒng)各工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示,對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)以及對(duì)系統(tǒng)工作參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。采用可編程控制器(PLC)邏輯功能控制、觸摸屏操作、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示、帶旁路接觸器聯(lián)合控制軟啟動(dòng)方式,設(shè)有電氣保護(hù)和操作保護(hù)。同時(shí),系統(tǒng)設(shè)有泵站就地控制柜及遠(yuǎn)程控制,并留有嵌入控制接口,能實(shí)現(xiàn)中央集中控制。設(shè)有緊急停車裝置,各控制面板均設(shè)有啟動(dòng)、停止、急停按鍵,并顯示運(yùn)行狀態(tài)。
3 技術(shù)分析超高壓組合密封
壓力越高,介質(zhì)黏性就越小,密封難度就越大。超高壓泵組的系統(tǒng)壓力高達(dá)250 MPa,設(shè)備的密封非常關(guān)鍵。往復(fù)密封是超高壓泵系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要標(biāo)志,由壓力、流量、介質(zhì)、柱塞線速度差異,往復(fù)密封在材料和結(jié)構(gòu)上不同,目前,在泵組動(dòng)態(tài)密封中,主要有填料密封、間隙密封和組合密封。組合密封即將填料密封和間隙密封組合應(yīng)用,利用套筒間隙密封的間隙實(shí)現(xiàn)降壓,控制超高壓流體的泄漏量,然后再通過填料密封進(jìn)一步阻止流體泄漏,起到雙保護(hù)的效果。
4 樣機(jī)設(shè)計(jì)
超高壓泵站機(jī)械本體見圖4。
1-安全閥;2-過濾器;3-增壓泵;4-壓力表;5-超高壓柱塞泵;6-氣控調(diào)壓閥;7-電動(dòng)機(jī)圖4
超高壓泵站關(guān)鍵部件配置及布置選用三柱塞臥式往復(fù)泵,其流量波形脈動(dòng)值小,重心低、運(yùn)行平穩(wěn),能夠可靠地產(chǎn)生超高壓和大流量。泵分為動(dòng)力端和液力端,高壓工況對(duì)泵的材料要求比較嚴(yán)格,受力部件采用高強(qiáng)度鋼,機(jī)身底座采用鑄鐵,緊固件要求高強(qiáng)度高韌性,采用40Cr。整體泵站最大外形尺寸為2 500 mm ×1 500 mm× 1 000 mm。超高壓泵站液壓系統(tǒng)布置見圖5。
5 結(jié)束語
船舶除銹成套系統(tǒng)的工程使用實(shí)踐要求超高壓水射流泵組系統(tǒng)體積較小、重量較輕、功能強(qiáng),能夠很好地為船舶除銹成套系統(tǒng)提供超高壓水射流噴射,較好地實(shí)現(xiàn)射流除銹。船舶除銹超高壓水射流泵組系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)是能達(dá)到所需要的超高壓水射流壓力。受水液壓和超高壓雙重因素的影響,船舶除銹超高壓水射流泵組系統(tǒng)在機(jī)構(gòu)密封潤滑、耐磨損、耐腐蝕、抗氣蝕等諸多關(guān)鍵問題方面,還需要基礎(chǔ)理論的研究,更需要新結(jié)構(gòu)新工藝的突破。我國的超高壓泵還處在商品化的發(fā)展階段,一些定量指標(biāo)還需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。文中所選配的船舶除銹超高壓水射流泵組系統(tǒng)能較好地為船舶除銹成套系統(tǒng)服務(wù),其設(shè)計(jì)思想可以為相關(guān)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)參考。
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